高功率声光调q532nm绿激光器设计

高功率声光调Q532NM绿激光器设计摘要固体激光器在科研、生物医疗、工业、娱乐、通讯、军事等方面有广阔的应用，因此成为激光器研究中的重要内容。其中，532NM绿光激光器在国际激光研究领域受到广泛的重视，它在彩色显示、医疗和光存储等方面占有十分重要的地位。此外，固体激光器相对于常用的染料激光器、半导体激光器具有输出功率高、工作性能稳定、价格便宜等优点，因此本课题对532NM激光器进行了设计，具有一定的研究意义。本文分析了激光器的设计原理，利用声光调Q，通过腔内倍频，得到了532NM的激光输出。通过对四种倍频晶体的性能进行对比，最后选择KTP作为倍频晶体。最后，对激光器系统进行实验，在电流为80A时，获得24W稳定输出的基频1064NM激光，获得115W稳定输出的倍频532NM绿光。关键词532NM激光器声光调Q磷酸氧钛钾倍频ABSTRACTSOLIDSTATELASER，ONSCIENTIFICRESEARCH,BIOLOGYSMEDICALSERVICE,INDUSTRY,ENTERTAINMENT,COMMUNICATIONANDSOON,HASTHEBROADAPPLICATIONTHEREFOREITBECOMESTHEIMPORTANTCONTENTINTHESOLIDLASERRESEARCHAMONGTHEM,THE532NMGREENLASERRECEIVESTHEWIDESPREADVALUEINTHEINTERNATIONALLASERRESEARCHAREAINASPECTANDSOONCOLORDISPLAY,MEDICALSERVICEANDLIGHTMEMORY,ITHOLDSTHEEXTREMELYIMPORTANTSTATUSINADDITION,THESOLIDSTATELASERHASHIGHERPOWER,HIGHERSTABILITYANDLOWERCOSTTHANTHECOMMONLYUSEDDYELASERANDTHESEMICONDUCTORLASER,THEREFORETHETOPICHASRESEARCHSIGNIFICANCETHISARTICLEANALYZEDTHEPRINCIPLEOFTHEREDLASER,BYUSINGAOQSWITCHED，THROUGHTHECAVITYINTHEFREQUENCYMULTIPLICATIONOF1064NMLASER,WEOBTAINEDTHE532NMLASERBYCONTRASTINGTHETHREEKINDSOFCRYSTALSOFTHEFREQUENCYMULTIPLICATIONS,FINALLYWECHOOSETHEKTPASTHEFREQUENCYMULTIPLICATIONCRYSTALFINALLY,CARRYINGONTHEEXPERIMENTTOTHELASERSYSTEM,WHENTHEELECTRICCURRENTIS80A,WEOBTAINTHEBASEFREQUENCY1064NMLASEROF24W,THEFREQUENCYMULTIPLICATION532NMREDLASEROF115WKEYWORDS532NMLASERAOQSWITCHEDKTPSGH目录摘要1ABSTRACT2目录31绪论511532NM激光器的研究现状及选题意义521064NM基频光621原理与结构522NDYAG激光器73声光调Q931调Q原理932几种Q开关104532NM倍频光1341倍频原理1342影响倍频效率的参量1343倍频晶体的选择1844倍频方式205系统设计2151聚光腔2152谐振腔2153泵浦源2254冷却装置236总结247致谢258参考文献261绪论激光具有亮度高、方向性好、单色性和相干性好等优点。问世至今只有四十多年，却发展异常迅速，已经被广泛应用到工农业生产、交通运输、能源动力、医药卫生、国防军事、科学技术、文化艺术和信息传递等各个领域，是正在走向实用化的高科技技术，和原子能、半导体、电子计算器一起被誉为当代的四大发明1。激光器的种类有很多，按生产激光的工作物质的不同可分为气体激光器（如CO2激光器）、固体激光器（如红宝石激光器）、半导体激光器（如GAAS激光器）、液体激光器、化学激光器、自由电子激光器等2。其中，固体激光器由于体积小、储能高和可靠性能高等优点，从一开始就处在激光研究的中心位置，发展极为迅速。11532NM激光器的研究现状及选题意义111研究现状固体连续波绿光激光器在科研、生物、医疗、工业、娱乐、通讯、军事等方面有广阔的应用，因此成为固体激光器件研究中的重要内容。高功率532NM固体激光（绿激光）在近几年得到迅速发展。因为倍频技术的限制，以前绿激光输出功率小，只用于眼科、皮肤、五官科等领域。随着倍频技术的发展，绿激光功率不断增加。1998年，KUNTZMAN3等首次将绿激光用于治疗前列腺增生的前列腺选择性气化手术。2002年LASERSCOPE公司推出平均功率80W、峰值功率280W的GREENLIGHTTMPVP激光治疗系统，并将其应用于泌尿外科、妇科、血管外科等领域。国内也有科研单位正在开展这方面的研究，如姚建铨4等采用80个20W激光二极管阵列侧面泵浦和KTP腔内倍频，获得104W的激光输出。112选题意义（1）绿激光在信息处理、数据存储、光谱技术、水下光探测、激光生物医学、激光彩色显示和激光加工等领域有重要的应用。（2）绿光激光器具有高效率、输出激光光束质量好、较小体积和长寿命等许多优点。（3）全固态绿激光器由于其广阔的应用前景，而受到了人们的关注。绿光激光器在可见光激光器中，可以说是发展最快和输出功率最高的，其各项有关的理论基础也是较为成熟和经受许多检验的。21064NM基频光21原理与结构211工作原理光频辐射场和构成物质的原子，分子系统的相互作用是激光的物理基础。若泵浦速率低于阈值，上的粒子数主要通过自发辐射和无辐射驰豫回到。当泵浦速率2E1E足够强，使一半以上的基态粒子抽运到上，实现粒子数反转，受激辐598,0射占主导地位而产生激光。212基本结构固体激光器由工作物质，泵浦源，聚光腔，光学谐振腔，冷却系统及激光电源主要部分组成。1工作物质是激光器的核心，它由掺杂离子型电介质晶体或玻璃材料加工而成。工作物质按激活离子能级结构形式，可分为三能级和四能级系统。三能级系统主要是红宝石晶体，四能级系统有钕玻璃和几种掺入三价或二价离子的某些晶体材料。最有代表的是掺杂ND3YAG及ND3YAP晶体。工作物质的形状有圆主体，平板形与管状。其中棒状使用得最多。为改善热效应和提高输出功率，出现了板条型，圆盘型及管状激光器。2泵浦源为工作物质中粒子数反转提供光能。常用的泵浦源有惰性气体放电灯，金属蒸汽灯，钨丝灯，太阳能及发光二极管。其中惰性气体放电灯时当前最常用的，如有氙，氪闪光灯和氪狐灯等。太阳能泵浦在小功率器件中常用，尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。二极管泵浦是目前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高，结构紧凑。3聚光腔的作用是将泵浦源辐射的光能有效均匀地会聚至工作物质上，以获得高的泵浦效率。4谐振腔是激光器的重要部分，由全反射镜和部分反射镜组成。受激辐射光通过反馈在其中形成放大与振荡，并由部分反射镜输出。它可分为稳腔，介稳腔和非稳腔等基本形式。5冷却与滤光系统是固体激光器中必不可少的辅助装置，其作用是防止聚光腔及内部元件温升过高，同时还减小泵浦灯中紫外辐射对工作物质的有害影响。固体激光器无论连续或脉冲工作方式，其输入泵浦灯的能量只有很小部分作为激光输出，其余的能量都转化为热及辐射损耗等，总体效率低，因此在设计固体激光器时，对每个环节都应充分重视，尽可能提高效率。22NDYAG激光器221基质材料YAG钇铝石榴石YAG是最常用的激光基质材料，YAG的基本理化性质如表3512YALO21，YAG温度特性如表22。它具有激光基质材料所要求的很多特性，它的性能稳定、质地坚硬、光学各向同性、热导率高，从而可使激光器在大平均功率条件下工作。同时考虑到该晶体价格便宜，应用广泛，故选择了YAG作为基质材料。表21YAG的基本理化性质分子量莫氏硬度熔点密度/（G/CM3）折射率（1M室温）59378851950455132表22YAG温度特性温度/K热传导率/WCM1K1比热/418JG1K1热扩散系数/CM2S1热膨胀系数/106K1DN/DT100200500058021013811270537120920100464255875_73106222NDYAG物理光学特性掺有钕的钇铝石榴石NDYAG几乎获得了固体激光材料的垄断地位。目前，它是一种对ND最具商业价值的激光基质材料，其阈值低、增益高。NDYAG的激光特33性主要取决于钕离子的特性7。纯是无色、光学各向同性的晶体，它有石榴石一般的立方结构特征。在3512YALONDYAG中，大约1的被ND3替代。两种稀土离子的半径差大约为3。YAG棒3Y1319NM附近的荧光光谱如图21。图21NDYAG棒1319NM附近的荧光光谱图3声光调Q为了改善激光脉冲的输出特性，以得到高峰值功率，窄脉宽的激光输出，调Q技术就是一个重要手段。调Q技术也叫Q开关技术，是一种获得高峰值功率，窄脉宽激光脉冲的技术。通常，将这种高峰值功率的窄脉冲叫做巨脉冲。31调Q原理由于脉冲激光器的输出是由若干无规则的尖峰脉冲构成的，而每一个尖峰脉冲都是在阈值附近发生的，并且脉宽又非常短（只是微秒量级），激光输出的能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率。这是因为通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。Q值定义为每秒损耗的激光能量腔内存储的激光能量O2式中，为激光的中心频率，用W表示腔内存储的能量；表示光在腔内传播一0个单程时能量的损耗率。那么光在一个单程中的能量损耗则为，设L为谐振W腔腔长，N为介质折射率，C为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为，/NC由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为，这样，Q值可表示为OONLWCQ22（31）式中，为真空中激光中心波长。Q值与谐振腔的损耗成反比。即损耗大，Q值就低，0阈值高，不易起振；损耗小，Q值就高，则阈值低，易于起振。调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。在泵浦开始时使腔处于低Q值状态，即提高振荡的阈值，使振荡不能形成，上能级的反转粒子NL数就可以大量积累，当积累到最大值饱和值时，突然使腔的损耗小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来。在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。32几种Q开关321电光调Q电光调Q是指在激光谐振腔内置加一块偏振片和一块KDP晶体。光经过偏振片后成为线偏振光，如果在KDP晶体上外加电压，由于泡克尔斯效应，使往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变。如果KDP晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。所以当晶体上有电压时，光束不能在谐振腔中通过，谐振腔处于低Q状态，从而产生激光巨脉冲。电光调Q的速率快，可以在秒时间内完成一次开关作用，使激光的峰值功率达到千兆瓦量级。如果原来谐振腔内的激光已经是线偏振光，在装置电光调Q措施时不必放置偏振片。322转镜调Q转镜调Q是指使谐振腔的一个反射镜高速旋转，当该反射镜面与另一反射镜不互相平行时，Q值低，上能级粒子数迅速积累。当该反射镜转动到与另一反射镜相平行的位置时，Q值升高，从而产生激光巨脉冲。323染料调Q染料调Q是指在谐振腔中插入染料盒，当激光器刚运转，发射光强很小时，染料的强烈吸收作用使Q值很低，上能级粒子数便能迅速积累；当腔内光强增加到一定程度时，染料突然达到吸收饱和，对该波长的光成为媒质，从而谐振腔的Q值突然升高，产生激光巨脉冲。染料成为光透明的过程称为染料漂白。由于漂白时暂时的，故染料可以重复使用。324声光调Q1在了解声光调Q之前,我们先要了解一下声光衍射。当声波频率较高时，声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。我们可以按照衍射光栅公式得到衍射的极大值出现的条件为（32SIN/M2）式中为声波波长，为光在真空中的波长，为入射光与折射率层的夹角，式中已S假设衍射方向相对于入射方向为对称的，即，为整数。ID我们可以从声光的量子特性来理解声场与光波的相互作用，光束可以看成是能量为。动量为的光子流，其中和分别为光波的角频率和波矢；同样，声波也IHIHKIIK可以看成是能量为，动量为的声子流，其中和分别是声波的角频率和波SSHSK矢。声光互作用可以看成是光子和声子的一系列碰撞，根据碰撞前后的能量和动量守恒，我们可以得到（3ISDHK3）因为比大很多，所以上式又可写为IO（3DIK4）式33中的（）号表示吸收一个声子，（）号表示放出一个声子。另外在式（34）中对应的是，若为大于1的整数时，则上面两式改写为1M（3DISMK5）上式表示入射光子吸收（或放出）M个声子而成为衍射光子的守恒关系。当声波是纯正弦的无限平面波时，其波矢的方向和大小都是固定不变的，因此K若用0表示入射光的波矢，1表示吸收一个声子后的衍射光的波矢。若要再吸收一个具有相同波矢声子，这是不能满足能量和动量同时守恒的，所以M只能为1时才能K同时满足，这种衍射称之为布拉格声光衍射。当声波不是纯正弦的无限平，而是具有频率为，波矢为的M个平面波的线性组合，从而成为局域的声波。可以看出，在S这种情况下，吸收（或放出）多个光子就是可能的，这种衍射我们称之为拉曼纳斯衍射。根据上面对两种声光衍射的讨论，我们知道在适当的选择材料和设计结构时，布拉格衍射的衍射效率可以达到100，而喇曼纳斯衍射的衍射效率是比较低的，所以在声光调Q中，我们一般选用布拉格衍射。那在布拉格衍射条件下，我们可以得到光波的入射角与其波长的关系。所以对于声光器件我们往往把声光介质SIN/2BS的通光面与超声波面（即换能器接触面）之间的夹角磨成（）角，以便在满90B足布拉格入射条件的同时，又能保证光束垂直光面入射（这时介质表面SI/BS的反射损耗最小）9。2把超声电源的高频振荡电信号输入声光器件中的换能器，从而产生超声振动波传入声光介质。由于超声波是一种机械应力波，它会使介质产生机械变形，在它的前进方向引起声光介质各部位的折射率作周期变化。这样便形成一种相位光栅。当光束通过相位光栅时就会发生衍射。若把声光器件放在连续泵浦YAG激光器的谐振腔内，由于衍射效应将使一部分激光偏离轴线方向，造成腔损耗增大，亦既使激光器的Q值下降。如果衍射足够强，使损耗大于增益，激光器就会停止振荡。这时，增益介质上的反转粒子数密度将由于光泵作用而聚集到很高的数值。之后，在脉宽为310US的矩形调制脉冲控制下超声电源的高频电信号将会有短暂时间间隙，在此时间间隔内超声场也会消失，激光器的谐振腔又回复到低损耗，高Q值，激光振荡迅速形成，以雪崩的形式输出激光矩脉冲。如图31图31声光调Q声光Q开关的优点所需调制电压低；消光比好；声光器件插入损耗小；激光损伤阈值高；重复频率高；振幅稳定性好。缺点是开关时间慢，一般脉冲宽度为几百UMS，因此主要用于中等强度峰值功率千瓦级的高重复频率器件。本实验采用声光调Q。4532NM倍频光光学倍频也称为二次谐波产生（SECONDHARMONICGENERATION，SGH），它是指频率为的单色光波入射到非线性介质后产生频率为2的光学现象。1961年FRANKEN等人在用红宝石激光器和石英晶体进行实验中首次发现倍频现象，这是人们在实验上第一次观察到的非线性光学现象。在光学倍频现象被发现以后，人们分别从理论和实验两方面深入研究了光学倍频的原理和技术，目前已实现了从紫外到红外的多种连续和脉冲激光的倍频，极大地拓展了激光输出的波长范围。41倍频原理411非线性效应光通过晶体进行传播时，会引起晶体的电极化。当光强不太大时，晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系，其非线性关系可以被忽略；但是，当光强很大时，如激光通过晶体进行传播时，电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略，这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应，具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。非线性光学晶体与激光紧密相连，是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。412激光倍频的基本原理利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为的激光，通过晶体后，变成频率为2的倍频光。如本实验就是通过1064NM的激光通过KTP倍频晶体后获得532NM的激光。42影响倍频效率的参量高效率的二次谐波转换取决于有关激光源和谐波发生器的一些参量前者如功率密度，光束发散角和谱线宽度等；后者如非线性系数，晶体长度，角度和温度对于最佳工作点的偏移，晶体的吸收和不均匀性等。421影响倍频效率的激光源的参量1功率密度根据式子22SIN/PKLLA可知，转换效率与基波光束的功率密度成正比，而谐波功率本身却与基波功率的平方成正比。若转换效率大于20，二次谐波的产生将因为基波光束的耗尽而开始显著偏离上式给出的线性关系，在高转换效率的情况下，应采用式子1/2221/SIN/TANHWPPKLLKA（2）光束发散角当采用共线相位匹配的二次谐波产生时，光波将有一个确定的反散角。如果偏离相位匹配方向的角度小，就有必要考虑波矢失配。如果方向接近最好的相位匹KA配方向，展开，得012EMN012012EEMN（1）式给出的与晶体中角度方向的关系可近似地表示01/2220SINCOSEEN2EN为0222SINEEN（2）将式（2）代入式（1），得00122SINEEMN（3）注意，此时有和。01/02/将式（3）代入式，得14KNAK（4）式中，,为材料常数，表示晶体的角灵敏度。因为此时0214SINEMN的是从晶体外测得不对准角度。所以将的表达式除以。01N如果存在1392KL（5）则根据式22SIN/PKLLA求得的转换效率将降到其峰值的一半。如果联立式（4）和（5），就得到角度容限的表达式，从晶体外测得的全角2，它决定了转换过程的半峰全宽56L（6）在非临界相位匹配条件下，设，则所得到的不是式（6），90MSIN2902而是1/20126ENL（7）（3）谱线宽度对于在相位匹配的中心波长附近波长的微小变化，展开，得0012EN012120EENN（8）若2，且当倍频频率下降一半时，偏离的相位匹配波长值为，0从式，（5）和（8），得124KNA01204/ENL（9）（4）光谱亮度从上述讨论显然可知，为得到最大的二次谐波功率，激光源应该有高的功率密度，小的光束发散角和窄的线宽，激光的这些性能可以用一个参量即光谱亮度表示。为产生高效率的二次谐波，激光必须有高的光谱亮度，通过选择横模或纵模就可实现这一点。一般地说，NDYAG激光器对于有效产生谐波而言，其线宽相当窄。在这些激光器中，主要是要获得衍射极限的光束，即TEM00运转。然而在钕玻璃激光器中，如果没有选择纵模，就会有很宽的激光线宽，这会严重限制获取高的转换效率。对于全脉冲而言，如果有非常高的转换效率，则所有入射到非线性晶体上的辐射都必须被有效转换，无论其强度，带宽，偏振或振幅和相位变化如何。高效率的强度范围特别重要。因为强度在光束的空间和时间边缘降为0，所以其强度必然是不均匀的，而且其幅度也可能不均匀。对于倍频来说，频率转换得标准技术是使用单块的非线性晶体材料。若使用单快非线性晶体，其高效能范围就需要限定在适当的值。422影响倍频效率的谐波发生器的参量（1）温度晶体在相位匹配温度T0时的折射率，对周围的温度以泰勒级数展开为21120DNNT（10）借助于式和（5），可得倍频晶体产生二次谐波的温度灵敏度的表达124KNA式为1024/ETLDNT（11）式中，为特定晶体内可能产生二次谐波的温度范围的半峰宽度。倍频晶体的温度TA变化可能是环境温度变化的结果，也可能是晶体的吸收损耗造成的。（2）相位匹配角倍频晶体的角度调整及维持其对准的灵敏度。最大吸收角，也是晶体在二次谐波功率降至一半以下之前允许倾斜的角度。（3）吸收晶体中的吸收将导致热应力和热梯度。相关折射率的不均匀性严重限制了实现相位匹配的晶体体积。在高功率连续光束的倍频实验中，非线性晶体由于吸收而发热的现象尤其应引起重视。非线性晶体材料中的自感应热分布可能是基波或谐波光束的吸收造成的，也可能是多光子过程造成的。（4）光学均匀性由于在光束的整个相互作用光路中不能满足相位匹配条件，所以非线性晶体的折射率不均匀性是产生二次谐波的重要限制因素。（5）非线性系数如果仅从理论因素考虑，似乎在倍频实验中非线性系数最高的晶体就是最理想的。然而实践证明，损伤阈值，光学质量，角度及温度调节范围，接受角等都是同等重要的参数。可以用非线性系数D代替相互作用长度。非线性系数小但具有能够产生长相互作用光路的材料，其效率等同于非线性系数大的短晶体。（6）品质因素影响倍频效率的因数还有激光源或晶体或两者特征的品质因素。例如认为，非线性倍频器的性能只是取决于泵浦激光的亮度和非线性材料的品质因素。此外，分析还表明，最大转换效率只取决于材料的光学特性和泵浦激光的亮度，而与非线性晶体的几何尺寸无关。改变晶体的尺寸，以避免材料的光学损伤。但其制约因素是，所考虑的材料必须要有足够大的尺寸，以满足激光系统的要求。所以非线性倍频晶体的特性是由非线性折射率，以及对相位匹配条件的角度，波长和温度失谐的容限确定的参量。在上述分析中，二次谐波转换是由转换效率，泵浦强度和材料的非线性有关的两个参量表证的，它们是非线性“驱动”和失谐，前者是二次谐波电场产生的，后者是二次谐波间在晶体进出平面处的相位失谐。驱动由下式给出20CIL（12）式中，C正比于材料的非线性系数，I为泵浦强度，L为晶体的长度。如果和的EFD单位分别为PM/V和M，则有3/275EFDCN下式给出了解调谐05KL（13）式中，为式（4）给出的波矢失配。驱动和失谐参量决定了转换效率20SIN/（14）43倍频晶体的选择431倍频晶体材料实现激光倍频技术的物质基础，按空间对称性的要求，从21种没有反演对称中心的点群中选取，倍频晶体主要由无机氧化物和半导体材料构成前者常用于近红外、可见和紫外波段，后者则用于中、远红外波段。具备实用价值的倍频晶体应满足以下要求1具有非中心对称结构；2有适当大小的非线性系数；3在工作波段范围内有高的透明度；4在工作波段上能实现相位匹配；5能得到足够尺寸的，光学均匀性好的，物化性能稳定和易于加工的晶体；6有较高的损伤阈值10。432倍频晶体的选取用于产生倍频的晶体主要有KDP、KTP、LBO、BBO。1KDP及其同晶型体本族晶体已被证明是用于二次谐波发生器的重要晶体类型。这类非线性晶体最主要的成员有磷酸二氢钾KH2PO4（符号KDP），磷酸二氘钾KD2PO4（符号KDP），砷酸二氘铯CSD2ASO4（符号CDA），磷酸二氢铵NH4H2PO4（符号ADP），它们都是负单轴晶体，属于42MM点群，因而成四方对称。晶体在室温下的水溶液中生长，可得到大块的无畸变单晶。本族晶体最重要的优点是其耐激光损伤，光学质量好。但它们也有缺点，如材料的折射率相当低，典型值在150155之间，因此他们的非线性系数低。所有的KDP同晶体型都是水溶性的，最大安全工作温度为100摄氏度左右，晶体对热冲击波敏感应小于5/MIN的速度缓慢加热。C2磷酸氧钛钾（KTP）KTP磷酸氧钛钾是一种很独特的非线性光学材料，它被广泛应用于发射1UM左右波长的ND激光器二次谐波的发生。KTP也对各种和频，差频以及在03540的整个透光波段的光参量应用也具有很强的吸引力。虽然其他材料的的某些特定参量优于KTP，但是KTP各种性能的组合仍使其成为二阶非线性光学应用，特别是ND激光器发生二次谐波的最好材料。这种晶体的非线性系数大，在大的波长范围内更适合于匹配过程，在YZ和XZ平面内足够大的双折射使相位匹配成为可能。该晶体具有大的吸收角，通常情况下大的温度带宽，较好的热特性和高的损伤阈值。所以KTP晶体是近年来出现的适合于ND激光器最好的非线性材料11。其主要的不足是，这种晶体的生长过程很困难，因而晶体的成本高，体积小。现在，从高质量的激光束泵浦的KTP通常能够得到超过65的倍频效率。不过，KTP在长时间受到二次谐波和基波两种光的累积照射后，将产生缓慢的光化学退化（格雷轨迹），导致晶体增加吸收，最终引起晶体失效。如果使KTP在温度升高的条件下工作，就使光化学效应逆转。晶体工作在150MW/平方厘米的磁通量和80的温度时，显示出超过200万次脉冲的寿命，其转换效率大于60。然而，当工作在65或者更低的温度时，将由于体损伤而失效。3LBO（三硼酸锂）是一种非线性光学晶体，它具有紫外透光性好，光学损伤阈值较高和非线性光学系数适中等特点。另外，该晶体的化学性能稳定，机械硬度高，不潮解，对于某些非线性光学加工具有吸收力。因为LBO的双折射小于BBO的，所以有助于限制相位匹配的光谱范围。但是，它也会在可见光和红外光的频率转换应用中导致产生非临界相位匹配和大的接受角。这种晶体的商业用途非常有限。4BBO（硼酸钡）材料是一种非线性光学晶体，它从紫外到中红外范围内的非线性频率转换的特性非常好，有较大的非线性系数，大的温度容限，小的吸收以及很高的损伤阈值。其主要的不足是角容限小，仅为05MRAD/CM，因此，对有效的倍频要求有衍射极限光束。BBO对于将频率倍频到蓝色频域特别有吸引力。BBO在紫外的透射带宽扩展至200NM，因此，这种材料的单光子或多光子吸收已经不是什么问题。BBO已经被用于钛蓝宝石激光的倍频，其效率高达60。44倍频方式一般来讲，倍频晶体既可以放在激光谐振腔之外，也可以放在谐振腔内。这两种方式分别称为腔外倍频和腔内倍频。对于基频光重复频率低而峰值功率很高的情形，通常采用腔外倍频方式；而在基频光重复频率高而峰值功率较低时，一般采用腔内倍频方式。腔内倍频的转换效率较高。451腔外倍频腔外倍频基频光源一般采用脉冲调Q激光器，为了获得较高的转化效率，有时还采用多级放大，提高基频光的峰值功率以便得到大的倍频强光。在腔外倍频实验中，有时也采用聚焦的方法来提高基频光在倍频晶体中的光功率密度。452腔内倍频腔内倍频将非线性倍频晶体放置在激光谐振腔内，使腔内的基频光往返通过倍频晶体。在适当的条件下，可获得较高的转换效率。设激光器输出镜对基频光的反射率为R，则腔内基频光的功率比腔外的要大倍，则腔内倍频效率将很可观。对于连续运转和准连续运转的高重复率调Q的激光器，通常采用腔内倍频方式。腔内倍频对倍频晶体的光学均匀性和透明度要求高，在高平均功率使用的场合，对倍频晶体的导热性能也有较高的要求，必要时需采用温控方式12。通过比较，由于腔内倍频将非线性倍频晶体放置在激光谐振腔内，使腔内的基频光往返通过倍频晶体，可获得较高的转换效率。因此，我们采用腔内倍频。5系统设计51聚光腔从泵浦光源发出的辐射能传输到激光工作物质上的效率，在很大程度上决定了激光系统的总效率，聚光腔除了给泵浦光源和工作物质之间提供良好耦合之外，还决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性，发散角和光学畸变。由于激光工作物质和泵浦灯都安装在聚光腔内，合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。聚光腔种类繁多，常用的有以下几种类型椭圆柱聚光腔、紧耦合非聚焦聚光腔、漫反射腔等。椭圆柱聚光腔是最常用的一种类型。单椭圆聚光腔，圆的偏心率可大也可小。在大偏心率情况下，激光棒和灯间的距离较长；对小偏心率情况，两者靠得比较近。紧耦合椭圆柱腔，这种腔型有很高的光传输效率。对于焦外泵浦方式，会大为增加腔壁反射次数，因此系统的效率依赖于壁反射率。对于双椭圆和多椭圆的多灯泵浦方式，可以增加注入到工作物质上的能量。在紧耦合非聚焦聚光腔中，它可以得到与椭圆聚光腔一样的效率，但泵浦光均匀性比较差。漫反聚光腔具有较好的泵浦均匀度，但泵浦效率不及椭圆腔。综上所述，为了提高泵浦效率，同时考虑到泵浦均匀度，我们选择了单椭圆聚光腔。52谐振腔最常用的固体激光器的谐振腔由相向放置的两球面镜或平面镜构成。平平腔可以看作的情况，若没有热透镜效应，即，则，由1R2F121G可知，此时平平腔为临界腔，但由于工作物质的热透镜效应可以近似作为腔2G内含有焦距为的透镜考虑，为有限值，则，FF120/GLF，则，由稳定腔的判据式可知，平平腔可以等价为稳210/L102G定腔13。平行平面腔的主要优点是光束发散角小,模体积较大,比较容易获得单横模振荡14。基于要获得较大的模体积、较好的光束质量及有效的发挥声光Q开关的作用等综合因素，本系统选用平一平腔结构。装置如图51图51谐振腔的结构53泵浦源泵浦激光器使用光源的主要目的是将电能有效地转换成辐射能，并能在给定的光谱带上产生高的辐射通量。最有效的泵浦灯将使激光材料在激发荧光的波长上产生最大的辐射，而在有效吸收带之外的所有光谱范围内产生最小的辐射。由于惰性气体灯价格便宜，应用较为广泛，实验中我们选择用惰性气体灯作为泵浦源。惰性气体灯包括氪灯和氙灯。氪灯应用于连续泵浦的工作方式，氙灯工作于脉冲方式下，由于我们实验室里的电源系统工作在脉冲方式下，所以我们选用氙灯作为泵浦源。脉冲氙灯的光谱分布近似太阳光,如图52。由图中曲线可以看出,在紫外和可见区域,连续光谱占优势。而在800NM附近有较强的光谱射线。从图52可看出NDYAG激光晶体的吸收谱线,一共有五个吸收峰,因此,我们可以采取某些制作方法,使脉冲氙灯在NDYAG晶体吸收强的光谱区域辐射光谱能量增强,从而可以提高灯的泵浦效率。图52NDYAG吸收光谱图54冷却装置固体激光器工作时通常都要采取冷却措施，主要是对激光工作物质，泵浦灯和聚光腔进行冷却，以保证激光器安全正常运行。这里我们一般采用液体冷区的方法。液体的主要用途是要消除激光棒，泵浦灯和激光腔中产生的热量。有时冷却液也有其它作用。如作折射率匹配用以减少泵浦的内反射，或作滤光液用以消除不需要的泵浦辐射。而固体激光器最好的冷却液是水。因为它与其它冷却液相比较，比热和热导率最高，粘度最低。除了这些优点水还具有其它冷却液没有的优点，即它在强紫外辐射下化学性能稳定。激光器除直接用流动水冷却外，都采用闭合回路冷却系统，它包括液体泵，热交换器和容器。一般冷却器除上述部件外，还包括粒子过滤器，水软化器流量计以及监控液流温度和压力的传感器。本实验采用的是液体液体热交换器。水从容器流到离心泵，通过热交换器，进入激光头，再回到容器。这种元件排列顺序可以使激光头中的静压减至最小。由外供应线中的控外制阀调节闭合回路的水温，阀的探头位于容器内，当容器温升高时，阀就打开，使更多的外部冷却水流过热交换器。该系统包括内线的蜂窝状过滤器，以消除颗粒状物质；软化装置可使水保持低电导率，腐蚀性减至最低